丁 坤，胡旭东，彭来湖

(浙江理工大学 浙江省现代纺织装备技术重点实验室，浙江 杭州 310018)

近年来，物联网技术不断发展和成熟，已经在智能家居、电网设备、物流设备、医疗设备以及农业设备等方面得到了广泛应用[1].由物联网技术发展而来的针织机械设备联网平台研究方兴未艾，企业对生产过程中设备的联网需求也越来越迫切.但是，目前大多数针织无缝内衣机的挡车工文化水平普遍不高，对机器设备认知程度有限，只会做一些简单重复的操作.而且，生产车间中一人管理多台机器，不能及时了解每台机器的生产情况，也不能对实际生产中出现的故障进行及时处理，机器一旦出现故障就需要专业机修人员排查情况进行检修，造成了生产效率低下的局面.此外，在传统针织生产企业中，管理人员管控车间生产过程和了解生产情况都依赖纸质计划进度卡，信息反馈和汇总滞后，无法及时掌握订单完成情况，不利于管理者监督和指导生产[2].为此，本课题深入分析针织无缝内衣机的工艺和设备参数特点，根据联网功能需求，提出针织设备联网总体结构框架，设计一种针织无缝内衣机监控系统的信息采集终端.作为针织机联网系统最底层的部分，该设备终端致力于和服务器建立稳定的通信链路，提供最原始的数据源.集成后的机联网系统运用信息化和网络化技术，可实现无缝内衣机生产车间的智能监控，使生产管理更加便捷、高效.

1 机联网结构设计

本课题以浙江日发RFSM20型针织无缝内衣机为测试平台，在嵌入式硬件系统已经完善的基础上，进行设备客户端和监控系统的开发.其总体开发方案是：扩展Wi-Fi模块接口，开发人机交互软件作为客户端；以无线路由器为通信媒介，通过TCP/IP网络协议建立客户端与服务器的连接；服务器将客户端发来的数据存入数据库，由后台进行数据处理并与Android手机客户端进行数据交互；最终由Android手机客户端实现对机械设备的监控.

该系统主要由三部分组成，其总体架构如图1所示.

(1)应用基于Qt Creator的应用程序开发框架来设计设备终端软件.该设备终端的主要功能是采集原始数据并按所制定的协议格式将数据包传输至服务器.远程设备对针织无缝内衣机的监控是通过设备终端和硬件控制层的数据交互来完成的.

(2)应用基于GatewayWorker的socket服务器开发框架和基于MySQL的数据库软件来完成服务器端的数据接收和存储，为前端页面提供数据支撑.

(3)应用基于thinkPhp框架开发的后台软件完成对数据库中相关数据的提取与分析，最终返回JSON包来应答Android手机客户端获取数据的请求[3].

2 硬件平台搭建

嵌入式设备终端的硬件是基于ARM Cortex-A8的高性能处理器，采用德州仪器公司的AM335x系列核心板，运行在剪裁后的Linux操作系统之上.运行该应用程序所需要的硬件接口模块包括RS422-Wi-Fi接口、RS485键盘接口、LCD显示器接口、USB接口[4].系统的硬件设计框架如图2所示.

图2 系统硬件框架

Wi-Fi模块电路设计主要围绕Wi-Fi模块展开.通过搭建Wi-Fi模块的外围接口电路，实现其与主控板上扩展的RS422接口的数据交互.Wi-Fi模块采用安信可公司的ESP8266-07S型芯片.该模块基于UART-Wi-Fi的联通方式，功耗低、可支持板载天线，增加传输距离[5].该芯片共有17个引脚，工作状态电压为3.3 V，GPIO0引脚上拉，ADC(Analog-to-Digital Converter)引脚上拉，GPIO15引脚下拉(图3).

设备终端和服务器的通信要求双方能同时进行数据收发，另外，无线收发器安装在机器顶部，要求传输距离远.本课题采用的RS485通信接口见图4.由RS485接口组成的半双工网络，最大传输距离约为1 219 m，最大传输速率高达10 Mbps.由于采用的SP490E收发芯片的使能电压为5 V，而Wi-Fi模块工作电压为3.3 V，故还需要一个电源转化电路来实现降压.该电源转化电路如图5所示.

图3 Wi-Fi模块电路

图4 RS485接口电路

图5 电源转化电路

3 设备终端数据类型分析

针织无缝内衣机生产数据主要包括设备数据、工艺数据、产量数据、运行数据和故障数据等.将这些数据存档并上传到服务器才能反映设备的整体信息.

设备数据是无缝内衣机的固有信息，包括设备编号、类型、尺寸、总针数、零位针、总脉冲数等.工艺数据是与无缝内衣机产品相关的信息，包括产品类型、链条步骤和循环数、压针电机的转速和角度等.产量数据是与无缝内衣机生产相关的信息，包括生产一件产品所需的时间、计划生产的产品数量和已经完成的产品数量等.运行数据指无缝内衣机运行过程中的动态信息，包括当前针数、当前角度、固定出针、当前速度、微调值等.故障数据指无缝内衣机可能发生的突发报警信息，包括探针报警、机头异常报警、储纬器断纱报警、出衣口织物未通过报警、驱动设备通讯异常报警等.

这些数据的采集过程主要涉及两个方面：一方面是主控的传输数据，终端设备与下位机采用双口RAM(Random Access Memory)并行通讯模式，高效稳定地相互收发数据；另一方面是用户自主的输入数据，用户可以根据生产产品的要求自行设置相关参数，下发花型文件.最终，所有数据被汇总和封装成协议所规定的类型，分发给无线通信接口来调用(图6).

图6 数据采集过程

4 机联网设备终端接入机制及流程

4.1 设备终端接入服务器机制

无线模块是设备终端和服务器通信的桥梁，本课题采用的ESP8266-07S型模块集成了丰富的SDK(Software Development Kit)开发包，包括基础AT(Attention)指令、Wi-Fi功能AT指令、TCP/IP工具箱AT指令等.在此基础上设计了一套连接周围路由器和登录服务器的方案.其客户端和服务器通信所需AT指令集如表1所示.

表1 客户端和服务器通信所需AT指令集

4.2 设备终端上传数据流程

在内衣机正常生产状态下，由设备终端获得主动权，向服务器传输所需类型的数据.这些数据由数据采集框架集成后按照协议被传输到服务器.设备终端数据上传流程如图7所示.

(1)在设备终端和服务器建立连接的基础上，新设备需要注册到服务器上，否则就不能进行正常的数据传输.

(2)确认注册后设备终端已登录服务器，开启设备终端和服务器的会话后才能发送设备数据和工艺数据.

(3)在设备空闲且未关机的情况下，用户可以选择更换产品工艺文件，由设备终端向服务器发送新的工艺数据.如果不更换产品，则继续判断设备是否空闲.

(4)在设备处于非空闲情况下，当设备发生故障时，终端向服务器传输详细的报警信息，等待故障消除后传输报警消除信息，然后继续判断有无故障.设备未发生故障，即设备处于运行状态时，终端向服务器传输运行数据.

图7 设备终端数据上传流程

4.3 服务器下发数据流程

除了设备终端获得主动权向服务器实时传输数据以外，在传输文件时，一般由服务器主动控制设备终端.用于无缝内衣机生产的文件共7种，包括生产文件(参数文件、花型文件)和系统文件(主控程序升级文件、密度电机程序升级文件、电磁阀程序升级文件、磁保持式选针器升级文件、人机交互程序升级文件)[6].传输文件的过程涉及整个系统的联动，而不仅仅是接收和保存数据.设备终端接收数据流程如图8所示.

图8 设备终端接收数据流程

(1)服务器进入控制设备终端模式后，判断设备终端此时是否允许控制，如果不允许控制，则不能传输文件.

(2)如果设备终端允许控制，则服务器可将以上7种类型的文件传输到设备终端，其他类型文件将被过滤掉.

(3)服务器将文件按照既定字节数分成多个包，分包发送文件，设备终端持续接收每包数据并保存文件.

(4)接收完成后，设备终端开始校验文件的正确性，并且反馈给服务器.如果接收正确，设备终端会保存文件并且开始按照文件类型进行处理，反之，设备终端将删除文件.

5 通信协议

5.1 协议制定

制定客户端与服务器之间的通信协议是为了双方能够按照协议内容进行编码和解码，分析机器实际生产过程，解析出机器当前状态，达到监控目的.协议制定的宗旨是形成封闭路，实现闭环传输.

根据生产的具体过程可制定出5种类型的协议，即注册型、会话型、状态型、传输型和空闲型.5种类型的协议均采用问答式，在一来一往之间即可相互得知对方的目前状态.

(1)注册型：新设备注册到服务器时所需的必要步骤，未注册过的设备不能开启与服务器的会话.

(2)会话型：在设备开关机时使用，用于开启和关闭服务器中对每个设备终端申请的服务，保证各客户端通信线路的畅通.

(3)状态型：在设备运行、停车、报警状态下使用，用于服务器对客户端状态的实时监测.

(4)传输型：在设备停车时，服务器主动传输参数或文件的情况下使用，设备终端接收服务器指令信息并回复传输结果.

(5)空闲型：在设备处于空闲时使用，判断设备终端和服务器的通信过程是否存在异常情况.

5.2 安全机制

针织无缝内衣机的生产情况特别是所做产品的花型文件和工艺参数文件一旦被泄露，对用户来说将会造成不可挽回的损失.因此，在无线通信过程中对数据的加密尤为重要，必须提高设备注册、设备登录以及数据传输过程的安全性.

(1)设备注册是新设备注册到服务器的过程，也是必要的初始化步骤.因为无线模块具有MAC(Media Access Control)地址的唯一性，所以可以将注册指令设计成注册类型+设备编号+MAC地址的形式.其中MAC地址采用MD5(Message-Digest Algorithm 5)加密算法加密[7]，在数据库中存储加密后Hash散列值，用于后序的设备登录验证.

(2)设备会话是注册后设备登录服务器的第一条指令，旨在区分该设备是否合法，不合法即未注册过的设备将不允许访问服务器.其指令编码为会话类型+设备编号+MAC地址的形式，也可采用MD5加密算法加密.服务器通过验证判断已登录设备发起的会话MD5散列值是否与数据库注册表中的MD5散列值有匹配项.如果二者有匹配项，则已登录设备属于合法设备；反之，则其为不合法设备.

(3)实时数据传输过程是设备终端与服务器交互过程中最重要的阶段，这些数据也是需要重点保护的对象.其指令编码由传输类型+MAC地址+传输内容组成.其中，传输内容采用AES(Advanced Encryption Standard)对称加密算法[8]进行高强度加密.

5.3 通信异常处理

设备终端和服务器在通信过程中总会发生一些异常情况，即通信路径不再联通，对此可从整个系统的角度出发分析造成异常的原因.

无线模块异常是指无线模块自身稳定性方面可能存在的问题，如实际应用过程中发现该模块偶尔发生自动重启的情况；通信延时异常是指无线网络可能信号较弱，导致数据的传输不及时而影响系统的实时性；设备终端发送异常是指设备终端发送数据的时间间隔过短或者存在数据错误，导致服务器出现无法解析指令的情况，也包括设备终端被强制关机或者车间断电等造成的异常；服务器自身异常是指服务器在发送数据时存在错误或者服务器断电等造成通信过程的异常.

针对以上问题，必须采取必要的手段进行处理，使系统能够自动恢复正常.

(1)从设备终端的角度来说，在设备处于非空闲状态时，设备终端每当给服务器传输一条数据都会接收服务器的数据反馈.如果多次传输数据而未收到服务器的数据反馈，那么有理由判断为设备终端已经中断与服务器的连接；在设备处于空闲状态时，服务器会开启空闲验证，如果验证时间超时，则也可判断为设备终端与服务器中断连接.

(2)从服务器的角度来说，在操作设备终端的情况下，如果设备终端连续发送多条服务器解析不了的数据，服务器将中断与设备终端的连接；在未操作设备终端的情况下，服务器多次没有收到设备终端的空闲验证反馈，也将判断为与设备终端已经断开连接.

6 实验测试

完成系统硬件安装和软件设计的情况下，在实验室搭建平台验证整个系统的正确性、可靠性和稳定性.采用10套主控板和无线收发器组成多个机联网设备终端(图9)，用压力测试方式测试设备终端和服务器的性能.

图9 机联网实验室验证平台

在前端设备Android界面上， 通过接收设备数据显示设备工作状态，给设备发送控制数据，验证系统方案的可行性.Android数据验证界面如图10所示.这里用3个测试用例，验证设备终端和服务器的功能及协议的完整性.

(1)通过网络连接测试验证网络通路和网络结构的可行性.结果表明，设备终端能够正常连接路由器并登录服务器，各个节点之间通信正常.

(2)通过功能测试验证系统的功能和通信协议.结果表明，非法设备终端接入服务器失败，而合法设备能够接入服务器进行数据交互，上传和下发数据均能够正确处理，闭环协议得到正确验证.

(3)通过异常处理测试验证断网和断电的异常情况.结果表明，在网络中断的情况下，双方能够正确判断状态并且开始等待网络正常连接的响应；在其中一方断电的情况下，另一方能够中断服务并且开始询问对方是否在线.

图10 Android数据验证界面

7 结束语

本文提出了针织无缝内衣机联网生产的方案，研究了机联网设备的功能需求，详细阐述了无线模块设计、终端的数据采集设计及通信协议的制定.在实验室对机联网各个功能模块进行全方位的测试，验证了设计方案的合理性和系统的可行性.

[1] 程钰杰.我国物联网产业发展研究[D].合肥：安徽大学,2012.

[2] 陈金灿.针织物联网技术前景可期[J].纺织机械,2015(8):42-43.

[3] 龚成莹,邢敬宏,胡银保.基于JSON的Android移动终端与PHP及MySQL数据通信[J].工业仪表与自动化装置,2013(1):63-65.

[4] 浦 炜,陈景波,周 平,等.基于ARM和Linux的圆纬机上位机软件设计[J].针织工业,2015(9):20-23.

[5] 王希朝,张 毅,程 鹏,等.面向物联网应用的UART-WIFI网关设计[J].微型机与应用,2013,32(8):45-47.

[6] 杨 敏.Linux下针织纬编机通用人机交互系统设计[D].杭州：浙江理工大学,2013.

[7] 张金辉,郭晓彪,符 鑫.AES加密算法分析及其在信息安全中的应用[J].信息网络安全,2011(5):31-33.

[8] 魏晓玲.MD5加密算法的研究及应用[J].信息技术,2010(7):145-147.